교신저자：박홍주, 143-729 서울 광진구 화양동 1  건국대학교 의과대학 이비인후-두경부외과학교실
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서     론

   외림프공간에 위치한 전극으로 내이 전기 자극을 주면 전정 신경의 자발적 활동 전위 발생 빈도가 영향을 받는 것으로 알려져있다. 외림프공간에 양극 전류(anodal currents)를 주면 전정 신경의 자발적 활동 전위 발생 빈도는 억제되며, 음극 전류(cathodal currents)를 주면 발생 빈도가 증가된다.¹⁾²⁾
   현재까지 표피 전기 자극을 이용하여 전정 기능의 이상 유무를 확인하려는 많은 연구가 이루어져 왔으며, 임상적으로 표피를 통한 전기 자극으로 발생되는 체위 변화를 확인하는 검사(galvanic body sway test)나 근전도의 변화를 확인하는 검사(galvanic vestibular evoked myogenic potential) 등이 보고되었다.³⁾⁴⁾ 그러나, 표피 전기 자극에 의한 전정 신경의 반응 양상과 중이강을 통해 외림프공간에 위치시킨 전극을 통한 내이 전기 자극으로 발생하는 전정 신경의 반응 양상을 비교한 보고는 현재까지 없다.
   저자는 친칠라의 표피와 내이를 통해 전정 신경을 전기적으로 자극하여 발생되는 전정 신경의 반응 양상을 확인하고, 서로 간의 상관 관계를 확인해 보고자 하였다. 

대상 및 방법 

   실험 동물은 체중 450~650 g의 친칠라 4마리(8귀)를 이용하였으며, 중이는 정상적인 해부학적 구조를 가지고 있으며, Preyer반사는 정상이었다.
   동물의 술전 처치나 전정 신경의 노출과 신경의 반응 기록 방법, 분석 방법은 과거의 보고⁵⁾⁶⁾와 동일한 방법을 사용하였으며, 여기에서는 전기 자극 방법에 대해서만 기술하고자 한다.
   표피와 내이의 전기 자극을 위하여 양쪽 귀에 각각 다른 두 쌍의 전극을 위치시켰다. 외림프공간을 통한 내이 전기 자극을 위하여 하나의 전선은 난원창과 정원창의 사이에 1 mm 드릴 버(burr)를 이용, 구멍을 만들어 2 mm 정도의 절연막이 제거된 전극의 말단부를 외림프공간에 위치하도록 한 다음, 외림프액의 유출을 방지하기 위해 전극의 말단부 주위에 연부 조직을 위치시켰고, 전선의 움직임을 방지하기 위해 아크릴을 이용하여 전선을 주변 골부에 고정시켰다. 다른 전극은 중이의 저부에 위치시키고 아크릴을 이용하여 고정시켰다. 
   표피 전기 자극을 위해서 하나의 전극은 유양 돌기부(하악의 후면)의 피하를 관통하도록 하였으며, 다른 전극은 후경부 중앙부의 피하에 관통시켜 위치시켰다. 후경부 중앙부의 전극은 양 측의 표피 전기 자극 시에 공동으로 사용하였다. 
   전류 발생기(Model 305R-C, World Precision Instruments, New Haven, CT)를 사용하여 직류 전류(current steps)를 5~10초 간격으로 자극하였다. 먼저 내이에 두 개의 전극을 이용하여 외림프공간에 위치한 전극을 기준으로 ±20, ±30, ±50, ±60, ±90 μA의 직류 전류로 내이 전기 자극을 주어 전정 신경 자발적 활동 전위에 대한 발생 빈도 변화를 기록하였으며, 표피 전기 자극의 경우 안면 신경의 자극으로 안면 근육의 수축이 발생하여 신경을 안전하게 유지하는데 어려움이 있어 유양돌기부의 전극을 통하여 +1 mA의 단일 전류로 자극하였으며, 자극에 의한 전정 신경의 변화 양상을 기록하였다. 
   전기 자극에 의한 전정 신경의 자발적 활동 전위 빈도 변화를 확인하기 위하여, 전기 자극을 시작하기 전 2초 간의 활동 전위의 발생 빈도와 전기 자극을 준 후 1~2초가 지난 후의 2초 동안의 활동 전위 발생 빈도의 차이를 각 전기 자극에 의한 전정 신경의 반응성(spikes·s^-1/μA)으로 계산하였다.
   전정 신경은 자발 전위 발생의 규칙성에 따라 규칙적 아형, 중간 아형, 불규칙적 아형으로 분류하였다. 각 군의 반응성의 차이를 확인하기 위한 통계적인 처리는 Minitab R 11.21. (Minitab Inc. State College, PA)를 이용 Mann Whitney 검사를 시행하였으며, 전기 자극과 전정 신경의 반응에 대한 연관 관계는 선형회귀분석을 이용하였다. 
   각각의 전정 신경원에서 0, +30, +60, +90 μA의 내이 전기 자극과 이에 의한 전정 신경의 자발적 활동 전위 발생 빈도 변화의 두 가지 값들의 배열 범위에서 최소 자승 선형회귀를 기준으로, 표피 전기 자극(+1 mA)을 통해 유발되는 동일한 정도의 자발적 활동 전위 발생 빈도의 차이를 유발하는 중이 전기 자극의 강도를 Microsoft Excel 2000의 forecast함수를 이용하여 예측할 수 있었다(Microsoft Corp., Redmond, WA). 각각의 신경원에서의 계산된 이들 값을 이용하여 각 아형에 따른 평균과 표준편차를 구하였다(Fig. 3).

결     과

   내이 및 표피 전기 자극을 통한 자발 전위 발생 빈도의 변화를 확인할 수 있었던 신경원의 수는 총 36개였다. 이 중 규칙적 아형이 21개, 불규칙적 아형이 13개, 중간 아형이 2개였다. 규칙적 아형의 자발적 활동 전위의 발생 빈도는 55.2±11.0 spikes/s였으며, 불규칙적 아형의 자발적 활동 전위의 발생 빈도는 52.3±23.5 spikes/s, 중간 아형의 자발적 활동 전위의 발생 빈도는 55.8±5.7 spikes/s였다. 측반고리관에서 기원하는 신경원은 24개, 이석기관에서 기원하는 신경원은 7개, 상반고리관에서 기원하는 신경원은 5개였다.

내이 전기 자극에 의한 전정 신경의 자발 활동 전위의 변화
   Fig. 1과 2에서 전기 자극에 의한 규칙적과 불규칙적 아형인 전정 신경의 반응 양상을 확인할 수 있었다. 양성 전류를 통해 전정 신경의 활동 전위 발생 빈도가 억제됨을 알 수 있으며, 음성 전류를 통해 활동 전위의 발생 빈도가 증가됨을 알 수 있었다. 전류의 크기가 증가하면 전정 신경의 반응도 증가하게 된다. 전기 자극에 의해 전정 신경의 반응이 바로 나타나게 되며, 전기 자극이 지속되면서 전정 신경의 반응이 점차 약해지거나 자극 후 이차적인 반응이 나타나는 적응 현상이 나타나며, 이러한 현상은 불규칙적 아형의 전정 신경에서 더 쉽게 확인할 수 있었다. Fig. 1의 규칙적 아형 전정 신경은 +60 μA의 전기 자극에 의해 자발 전위의 발생 빈도가 51.5 spikes/s에서 48.1 spikes/s로 감소하여 0.06 spikes·s^-1/μA의 전기 자극에 대한 반응성을 보였지만, Fig. 2의 불규칙적 아형의 전정 신경은 +60 μA의 전기 자극에 의해 자발 전위의 발생 빈도가 37.3 spikes/s에서 12.0 spikes/s로 감소하여 0.42 spikes·s^-1/μA의 전기 자극에 대한 반응성을 보여 규칙적 아형의 전정 신경에 비해 보다 높은 반응성을 보였다. 또한, 불규칙적 아형은 +90 μA의 전기 자극에 의해 자발 전위의 발생 빈도가 5.8 spikes/s로 감소하여 활동 전위의 자발 빈도가 거의 억제되었다(Fig. 2).

전정 신경의 선형 반응
   Fig. 3은 각각의 전기 자극의 강도와 이 때 발생하는 자발 빈도 변화의 정도를 그래프로 나타낸 것이다. 양극 전류에 의해 전정 신경 자발 전위의 빈도가 억제되는 양상을 보이며, 음극 전류에 의해 자발 빈도가 증가되는 양상을 보였다. 전기 자극의 강도가 증가할수록 전정 신경 반응의 변화도 증가하는 양상을 보였다(규칙적 아형：R²=0.98, p<0.001；불규칙적 아형：R²=0.99, p<0.001). 본 실험에서 사용된 전기 자극의 범위에서 전정 신경의 반응은 선형적인 반응 양상을 보였다. 그러나, 높은 강도의 전류를 이용한 경우에는 약간의 비선형적인 반응을 보이는 경향을 보였다. 이러한 반응은 특히 불규칙적 아형의 전정 신경에서 양극 전류를 통한 자발 빈도의 억제 반응에서 두드러지게 나타났으며, 이러한 비선형적인 반응은 불규칙적 아형의 전정 신경이 전기적인 자극에 의해 쉽게 억제되어 자발 전위의 발생 빈도가 거의 억제되어 포화 상태(saturation)에 빠지게 되어 발생하였다.
   불규칙적 아형 전정 신경의 전기 자극에 대한 반응은 규칙적 아형에 비교하여 약 7~8배 더 민감하였다. 이러한 특징은 전기 자극에 의한 평균적인 반응을 그래프로 나타낸 Fig. 3에서도 확인할 수 있으며, ±60 μA의 전기 자극에 대한 각 신경 아형의 평균적 반응을 나타낸 Table 1에서도 확인할 수 있다. Table 1에서 불규칙적 아형의 전정 신경의 경우 +60 μA의 전기 자극에 의해 자발 전위의 빈도가 10 spikes/s 이하로 감소할 경우에는 +60 μA보다 낮은 전류를 이용한 경우의 신경의 반응도를 이용하였다.

내이 전기 자극과 표피 전기 자극의 상관 관계
   외림프공간을 통해 내이 전기 자극을 주어 각각의 신경원에서의 자발 빈도의 변화를 확인한 후에 이러한 전기 자극과 자발 빈도의 변화의 상관 관계를 이용하여 표피를 통한 전기 자극(+1 mA)에 의한 전정 신경의 변화 정도와 동일한 변화를 주는 내이 전기 자극의 강도를 계산하였다. 이러한 값은 불규칙적 아형의 경우 66.0±8.3 μA, 규칙적 아형의 경우 65.0±6.7 μA로 신경원의 아형에 따른 차이없이 비슷한 값을 보였다(Fig. 3, p>0.05). 또한, 신경원이 기원하는 전정 기관의 차이에 의한 전기 자극에 대한 반응도의 차이도 관찰되지 않았다(Table 1, p>0.05).

전기 자극과 회전 운동의 동시 자극에 의한 전정 신경의 변화
   본 실험은 정적인 상태에서의 전기적 자극의 영향이 주요 관심사였지만, 신경원의 활동 전위의 기록을 장기간 유지할 수 있었던 하나의 신경원에서는 회전 운동(2 Hz, 최대 속도 24°/s) 중에 전기 자극을 주어 전기 자극에 의한 전정 신경의 동적 변화도 확인할 수 있었다(Fig. 4). 전기 자극에 의해 자발적 활동 전위의 발생 빈도는 영향을 받지만, 머리의 회전 운동에 대한 활동 전위의 반응은 전기 자극에도 불구하고 계속 유지됨을 알 수 있었다. 그렇지만, 양극 전류 자극 시의 머리 운동에 대한 전정 신경의 이득이 음극 전류 자극 시의 이득에 비해 약간 증가하는 소견을 보였다. 즉, -20, -50 μA의 전류 자극 시의 머리의 회전 운동에 대한 전정 신경의 이득은 각각 0.090, 0.089 spikes·s^-1/°·s^-1이었으나, +20, +50 μA의 전류 자극 시의 머리의 회전 운동에 대한 전정 신경의 이득은 각각 0.105, 0.096 spikes·s^-1/°·s^-1로 음극 전류를 자극했을 때와 비교하여 더 높은 소견을 보였다.

고     찰

   전정 신경 자발 전위 발생 빈도의 규칙성은 활동 전위 발생 부위(spike trigger site)가 과분극된 후 회복하는 과정(afterhyperpolarization)에 의해 결정되어지며,⁷⁾ 전정 신경의 자발 전위 발생의 규칙성과 전기 자극에 대한 반응성은 선형의 상관 관계를 보이는 것으로 알려져 있다.¹⁾⁸⁾ 즉, 규칙적 아형의 전정 신경이 전기 자극에 반응하는 정도는 불규칙적 아형의 전정 신경이 반응하는 정도와 비교하면 아주 미약하다. 본 연구에서도 불규칙적 아형의 전기 자극에 대한 반응도가 규칙적 아형의 전기 자극에 대한 반응도와 비교하여 7~8배 민감함을 보여 다른 실험 결과와 유사한 소견을 보였다.¹⁾⁹⁾ 그러나, 이러한 전기적 자극은 머리의 회전 운동에 대한 전정 신경의 반응에는 크게 영향을 주지 않았다. 즉, 머리의 회전 운동으로 전정 유모 세포(hair cell)의 반응에 의해 발생되는 자발 전위의 발생 빈도 변화는 전기 자극에 의해 영향을 거의 받지 않고 지속됨을 알 수 있었다. 이러한 소견은 전기 자극이 전정 신경의 말단부의 활동 전위 발생 부위(spike trigger site)에 주로 작용하는 것으로 생각되며, 유모 세포에는 크게 작용하지 않는다는 보고와 일치한다.¹⁾⁹⁾ 그렇지만, 양극 전류를 주었을 경우에는 머리의 회전 운동에 대한 전정 신경의 이득이 음극 전류를 주었을 때의 이득과 비교하여 증가한 경향을 보여 전기 자극이 어느 정도 유모 세포 단계에서도 영향을 줄 가능성이 있으며, 이에 대한 추가 연구가 필요할 것으로 생각된다. 

규칙적 아형과 불규칙적 아형 전정 신경의 기능
   규칙적 아형의 전정 신경원은 머리 운동 자극의 주파수가 평균 자발 빈도보다 낮을 경우에만 머리의 운동 정보를 정확히 표시할 수 있다. 따라서, 규칙적 아형의 전정 신경은 주파수가 낮거나 정상 상태(steady-state)의 정보를 표시(encode)하는데 유리하며, 불규칙적 아형은 정상 상태의 정보를 표시하는데는 불리하지만 동적인(dynamic, phasic) 주파수가 높은 정보의 표시에는 유리하다. 그러나, 실제로는 각 신경원의 자발 빈도는 동물에 따라 50~150 spikes/s의 빈도를 보이기 때문에,^1)8)10) 이론적으로는 머리의 운동 주파수가 10 Hz 이내인 경우에는 규칙적 아형의 전정 신경도 머리의 자극에 충실하게 반응할 수 있다.¹⁾ 
   Minor 등¹¹⁾은 원숭이에서 외림프공간에 높은 강도의 양극 전류(+100 μA)의 자극으로 양 측의 불규칙적 아형인 전정 신경의 자발 빈도를 가역적, 일시적으로 억제하여도 머리의 회전 운동(0.5 Hz, ±최대 속도 40°/sec와 4 Hz, 최대 속도 ±20°/sec)에 대한 전정-안 반사의 차이가 없음을 확인하여 0.5 Hz나 4 Hz에서 규칙적 아형의 전정 신경이 전정-안 반사에 있어서 중요한 역할을 할 것을 시사하였다. 그렇지만, 인간의 경우 달리기와 같은 운동을 할 때 이보다 높은 15 Hz 이상의 머리의 움직임에 대한 충분한 전정-안 반사를 필요로 하며,¹²⁾¹³⁾ 실제로 이러한 고주파수의 머리의 회전 운동에 대하여도 전정-안반사는 충분히 보상적인 반응을 하는 것으로 알려져 있다.¹⁴⁾¹⁵⁾ Hullar 등⁵⁾은 고주파수(2~20 Hz)의 머리의 회전 운동에 있어서 규칙적 아형의 전정 신경이 주파수에 따라 일정한 이득을 보이고, 고주파수로 갈수록 위상이 변위(phase lead)되어 고주파수에서도 전정-안 반사의 구성에 충분한 역할을 할 가능성이 있음을 보고하였다. 그러나, 이러한 규칙적 아형의 전정 신경이 고주파수, 고속도의 회전에서 선형적인 반응을 보이지만, 전정-안 반사에서는 고주파수, 고속도의 회전 자극에 의해 선형적인 반응 이외에도 비선형적(nonlinear) 반응이 보고되어,¹⁴⁾¹⁶⁾ 규칙적 아형의 전정 신경의 특징 만으로는 전정-안 반사를 설명하기는 어렵다.
   이외에도 내이 양극 전기 자극으로 불규칙적 아형의 전정 신경을 가역적으로 억제하면 주시 거리에 따른 머리 회전 운동에 대한 전정-안 반사 이득의 변화가 소실됨이 관찰되어 불규칙적 아형이 머리의 회전 운동에 대한 전정-안 반사의 이득 조절에 관여한다고 보고되었다.¹⁷⁾
   이처럼 전정-안 반사에서 전정 신경 각 아형의 기능에 대한 정확한 이해가 아직은 완전히 이루어지지 않아 지속적인 연구가 필요하다. 친칠라는 원숭이에 비해 가격이 저렴하며, 전정 신경의 노출이 용이하며, 전정 신경의 노출을 위해 소뇌를 제거할 필요가 없고, 규칙적 아형에 비교하여 불규칙적인 아형의 전기 자극에 대한 민감도가 높아(7~8배 vs. 6배)¹⁾ 전기 자극을 통한 연구에 도움을 줄 수 있으리라 생각된다. 불규칙적 아형이 전기 자극에 의해 보다 많은 영향을 받게 되어 불규칙적 아형의 활동 전위의 발생 빈도를 상대적으로 더 많이 조절할 수 있는 장점이 있기 때문이다.

내이 전기 자극과 표피 전기 자극의 상관 관계
   본 연구로 표피 또는 내이 전기 자극에 의해 규칙적 및 불규칙적 아형의 전정 신경이 모두 자극됨을 알 수 있었다. 또한, 반고리관이나 이석 기관에서 기원하는 모든 신경이 전기 자극에 의해 영향을 받음을 알 수 있었다. 또한, 표피 전기 자극(+1 mA)으로 불규칙적 아형의 경우 +66 μA, 규칙적 아형의 경우 +65 μA의 전류를 이용하여 내이 전기 자극하는 것과 같은 정도의 전정 신경 활성 변화를 얻을 수 있음을 알 수 있었다.
   친칠라의 경우 표피 전기 자극과 전정 신경의 반응이 선형 반응을 하는 것으로 가정한다면 약 +1.54 mA의 표피 전기 자극으로 불규칙적 아형의 전정 신경의 억제를 위해 사용되는 +100 μA¹¹⁾의 내이 전기 자극과 같은 효과를 얻을 수 있으리라 생각된다. 따라서, 이러한 전류를 표피에 자극함으로써 불규칙적 아형의 전정 신경의 기능적 억제를 얻을 수 있어, 다양한 머리의 운동 자극이나 여러 상황에 대한 전정-안 반사에 있어서 불규칙적 아형의 기능을 이해하는 데 도움을 얻을 수 있으리라 생각된다.

결     론

   친칠라에서 표피 전기 자극을 함으로써 반고리관과 이석기관에서 기원하는 모든 전정 신경 자발 전위의 발생 빈도가 영향을 받는 것을 알 수 있었다. 또한, 전정 신경의 아형 중 불규칙적 아형이 규칙적 아형에 비교하여 전기 자극에 보다 많은 영향을 받았으며, +1.54 mA 이상의 전류를 사용한 표피 전기 자극으로 불규칙적 아형의 기능적 억제를 얻을 수 있음을 추정할 수 있었다. 이러한 소견은 향후 불규칙적 아형의 기능을 이해하기 위한 연구의 설계에 있어서 중요한 기초 자료를 제공할 수 있다고 생각된다.

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